本發(fā)明涉及基于工業(yè)機器人的疊層構(gòu)件螺旋銑加工大深度(20mm以上)、大直徑(19mm以上)孔專用復(fù)合刀具，特別涉及加工碳纖維復(fù)合材料(cfrp)和鈦合金等航空航天難加工材料疊層構(gòu)件的大深度大直徑孔螺旋銑孔專用復(fù)合刀具。

背景技術(shù)：

隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，cfrp和鈦合金等難加工材料大量的應(yīng)用，傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)今航空制造產(chǎn)業(yè)對制孔質(zhì)量的實際要求。螺旋銑孔是一種新的制孔加工技術(shù)，是用一把小于孔直徑刀具通過自身自轉(zhuǎn)的同時圍繞著制孔中心以一定偏移量做公轉(zhuǎn)的螺旋制孔工藝，其僅用一把刀即可加工出不同直徑的孔，并且其加工質(zhì)量更好，效率更高，這些突出的優(yōu)點使其在cfrp/鈦合金疊層構(gòu)件制孔加工中的應(yīng)用越來越多。近年來，在航空制造業(yè)中，柔性化機器人加工成為先進飛機制造技術(shù)的發(fā)展方向，工業(yè)機器人制孔技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于工業(yè)機器人自身結(jié)構(gòu)特點決定了其相對于傳統(tǒng)機床較低剛度，這致使在機器人加工過程中因受較大的切削力而產(chǎn)生顫振，尤其在進行大深度、大直徑疊層構(gòu)件制孔時會產(chǎn)生更大的切削力，從而易造成加工質(zhì)量、加工精度不高等不良后果，如孔徑誤差、毛刺、復(fù)合材料的分層和撕裂等。

因此，從刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面出發(fā)減小切削力以保證制孔質(zhì)量是實現(xiàn)機器人高效率、高質(zhì)量、低損傷的疊層構(gòu)件一體化制孔的必要措施和重要手段。面對國內(nèi)航空制造業(yè)對大深度大直徑機器人加工的迫切需求，國內(nèi)目前對于適合機器人的疊層構(gòu)件大深度大直徑螺旋銑孔并沒有專用刀具。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點，提供一種能夠有效減小機器人加工顫振，保證制孔表面精度和整體制孔質(zhì)量，同時能夠有效減小cfrp的分層、撕裂等損傷的出現(xiàn)的適于工業(yè)機器人疊層構(gòu)件螺旋銑孔專用復(fù)合刀具。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的一種適于工業(yè)機器人疊層構(gòu)件螺旋銑孔專用復(fù)合刀具，包括前端和第一刀刃部分的后端相連的第二刀刃部分，所述的第二刀刃部分通過縮頸結(jié)構(gòu)與刀柄相連，所述的第一刀刃部分直徑小于第二刀刃部分直徑，所述的第一刀刃部分芯厚小于第二刀刃部分的芯厚，第一刀刃部分芯體和第二刀刃部分芯體之間采用錐形平滑過渡連接，所述的第一刀刃部分包括沿刀體外緣周向上設(shè)置的四個不等間距的第一螺旋切削刃、第二螺旋切削刃、第三螺旋切削刃和第四螺旋切削刃，所述第一螺旋切削刃部分的第一螺旋切削刃的底刃和第三螺旋切削刃的底刃有兩個刃帶，第二螺旋切削刃的底刃和第四螺旋切削刃的底刃有一個刃帶，所述第二刀刃部分包括設(shè)置在刀體外緣周向上并且與所述的第一螺旋切削刃、第二螺旋切削刃、第三螺旋切削刃和第四螺旋切削刃分別通過圓弧過渡底刃一一對應(yīng)平滑連接的四個不等間距的螺旋切削刃，所述的第一刀刃部分的四個螺旋切削刃之間的成型容屑槽與第二刀刃部分的四個螺旋切削刃之間的容屑槽一一對應(yīng)設(shè)置，并且第一刀刃部分的成型容屑槽與第二刀刃部分的成型容屑槽的相交部分為階梯式過渡容屑槽，第二刀刃部分的各螺旋切削刃夾角、側(cè)刃前角、側(cè)刃第一后角、側(cè)刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角均與第一刀刃部分的四個螺旋切削刃的各切削刃夾角、側(cè)刃前角、側(cè)刃第一后角、側(cè)刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角分別相同設(shè)置。

與現(xiàn)有發(fā)明相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明刀具采用階梯式復(fù)合刀具，在大深度大直徑cfrp/鈦合金疊層構(gòu)件(鈦合金在上層，cfrp在下層)螺旋銑孔時，鈦合金切削力遠大于cfrp切削力。第一刀刃部分對鈦合金先進行初切削銑孔，之后第二刀刃部分在第一刀刃部分已加工的基礎(chǔ)上再進行大孔邊緣銑削，此時第一刀刃部分已經(jīng)在疊層構(gòu)件的上層銑削完成，進入下層cfrp銑削，此時第一刀刃部分承受切削力較小，此時只有第二刀刃部分在進行鈦合金孔邊緣少量切削。之后當(dāng)?shù)诙度胁糠诌M入cfrp切削時，第一刀刃部分已經(jīng)完成初切削銑孔或小厚度切削，此時第二刀刃部分再進行cfrp孔邊緣少量切削。此外，根據(jù)實際加工需求可調(diào)整復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)尺寸，如加長第一刀刃部分長度，當(dāng)?shù)诙度胁糠诌M入鈦合金先進行大孔邊緣銑削時，第一刀刃部分已經(jīng)完成在疊層構(gòu)件的初始孔銑削，此時只有第二刀刃部分在進行疊層孔邊緣少量切削。因此，綜合不同方案本發(fā)明結(jié)構(gòu)能夠有效減小第二刀刃部分最終切削銑孔的切削力，以減小機器人加工顫振，保證第二刀刃部分制孔表面精度和整體制孔質(zhì)量，同時能夠有效減小cfrp的分層、撕裂等損傷的出現(xiàn)。

采用在第一刀刃部分與第二刀刃部分的錐形平滑過渡芯體處設(shè)有階梯過渡容屑槽，便于復(fù)合刀具排屑，有利于散熱；

采用在第一刀刃部分與第二刀刃部分階梯連接處設(shè)有過渡圓弧底刃，可有效減小刀具加工沖擊力；

切削刃采用不等距設(shè)計，第一螺旋切削刃部分的第一螺旋切削刃的底刃和第三螺旋切削刃的底刃有兩個刃帶，第二螺旋切削刃的底刃和第四螺旋切削刃的底刃有一個刃帶的設(shè)計方法，能夠有效避免機器人加工時刀具的顫振和不穩(wěn)定；

采用四切削刃結(jié)構(gòu)，可以分散切削刃工作壓力，有效延長刀具壽命；

采用縮頸結(jié)構(gòu)，利于切屑排出，同時避免加工時切屑、刀體與孔壁摩擦對加工表面造成二次損傷，從而影響加工質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的適于工業(yè)機器人疊層構(gòu)件螺旋銑孔專用復(fù)合刀具整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示的本發(fā)明復(fù)合刀具刀刃處的a-a剖面圖；

圖3為圖2的所示的刀具側(cè)刃后角d處的局部放大圖；

圖4為復(fù)合刀具第一刀刃部分的端面視圖；

圖5為圖4所示的復(fù)合刀具的b-b剖面圖；

圖6是圖4所示的復(fù)合刀具的c-c剖面圖；

圖7-1為本發(fā)明復(fù)合刀具類第一種方案的疊層構(gòu)件螺旋銑孔過程示意圖；

圖7-2為本發(fā)明復(fù)合刀具類第二種方案的疊層構(gòu)件螺旋銑孔過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細(xì)說明。

如附圖所示，本發(fā)明的一種適于工業(yè)機器人疊層構(gòu)件螺旋銑孔專用復(fù)合刀具，包括前端和第一刀刃部分2的后端相連的第二刀刃部分3，所述的第二刀刃部分3通過縮頸結(jié)構(gòu)4與刀柄1相連，所述的第一刀刃部分2直徑d1小于第二刀刃部分3直徑d2，所述的第一刀刃部分芯厚小于第二刀刃部分的芯厚，第一刀刃部分芯體和第二刀刃部分芯體之間采用錐形平滑過渡連接，所述的第一刀刃部分2包括沿刀體外緣周向上設(shè)置的四個不等間距的第一螺旋切削刃z1、第二螺旋切削刃z2、第三螺旋切削刃z3和第四螺旋切削刃z4，所述第一螺旋切削刃部分2的第一螺旋切削刃z1的底刃和第三螺旋切削刃z3的底刃有兩個刃帶，第二螺旋切削刃z2的底刃和第四螺旋切削刃z4的底刃有一個刃帶，所述第二刀刃部分3包括設(shè)置在刀體外緣周向上并且與所述的第一螺旋切削刃z1、第二螺旋切削刃z2、第三螺旋切削刃z3和第四螺旋切削刃z4分別通過圓弧過渡底刃7一一對應(yīng)平滑連接的四個不等間距的螺旋切削刃，所述的第一刀刃部分2的四個螺旋切削刃之間的成型容屑槽與第二刀刃部分3的四個螺旋切削刃之間的容屑槽一一對應(yīng)設(shè)置，并且第一刀刃部分2的成型容屑槽與第二刀刃部分3的成型容屑槽的相交部分為階梯式過渡容屑槽8。第二刀刃部分3的各螺旋切削刃夾角、側(cè)刃前角、側(cè)刃第一后角、側(cè)刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角均與第一刀刃部分2的四個螺旋切削刃的各切削刃夾角、側(cè)刃前角、側(cè)刃第一后角、側(cè)刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角分別相同設(shè)置。

作為本發(fā)明的一種實施方式，所述的第一螺旋切削刃z1與第二螺旋切削刃z2夾角a取93°，第二螺旋切削刃z2與第三螺旋切削刃z3夾角b取85°,第三螺旋切削刃z3與第四螺旋切削刃z4夾角c取87°，第四螺旋切削刃z4與第一螺旋切削刃z1夾角d取95°。所述的第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的側(cè)刃前角9取7°，第二螺旋切削刃z2和第四螺旋切削刃z4的側(cè)刃前角10取9°；第一刀刃部分2的四個螺旋切削刃的側(cè)刃第一后角13取15°,側(cè)刃第二后角14取19°；所述的側(cè)刃第一后角的長度11為0.7mm，所述的側(cè)刃第一后角與側(cè)刃第二后角的總長度12為1.6mm；第一刀刃部分2的四個螺旋切削刃的螺旋角5為40°，第一刀刃部分2的四個螺旋切削刃的刃傾角6為5°，第一刀刃部分2刀體芯厚15為5mm，直徑d1為8mm；所述的第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的底刃有兩個刃帶，其中第一刃帶寬18取0.8mm；所述的第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的底刃第一后角19取6°，并且第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的底刃第二后角20取10°；所述的第二螺旋切削刃z2和第四螺旋切削刃z4的底刃后角21取7°；所述第一刀刃部分2刀刃長度l1為10mm。

所述刀具第二刀刃部分3同樣設(shè)置四個切削刃，各切削刃夾角、側(cè)刃前角、側(cè)刃第一后角、側(cè)刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角與第一刀刃部分2設(shè)置相同；第二刀刃部分3的側(cè)刃第一后角與側(cè)刃第二后角的總長度為2.4mm；第二刀刃部分3刀體芯厚7.8mm，直徑d2為12mm；所述第二刀刃部分3刀刃長度l2為20mm。

所述第一刀刃部分2與第二刀刃部分3之間的圓弧過渡底刃7的半徑為2mm。所述第二刀刃部分3與刀柄部分1之間采用縮頸結(jié)構(gòu)4連接，頸部結(jié)構(gòu)直徑d3為11mm。第一刀刃部分與第二刀刃部分的芯厚不同，兩部分之間采用錐形平滑過渡連接。

所述刀具總長l4為90mm，刀柄長度l3為50mm。

所述刀具基體材料采用wf25型超細(xì)粒硬質(zhì)合金，其co含量為11.1％～12.1％，此種材料具有耐高溫、硬度高、易散熱、不易變形、不易破損等特點，具有較好的韌性和耐磨性，可以提高刀具壽命，采用此種基體材料更易對刀具刀尖進行尖角化處理，適于機器人加工鈦合金/cfrp疊層構(gòu)件。

圖7-1、7-2是具有不同的第一、第二刀刃部分長度的本發(fā)明的復(fù)合銑刀結(jié)構(gòu)的銑孔過程示意圖；圖7-1中的第一刀刃部分長度小于第二刀刃部分長度，在加工時第一刀刃部分和第二刀刃部分有處于不同構(gòu)件層同時切削時刻，能夠有效減小切削力；圖7-2第一刀刃部分長度大于第二刀刃部分長度，在銑削加工時第一刀刃部分先進行整個構(gòu)件層切削，初始銑孔完成后第二刀刃部分再進入切削完成最終銑孔，不進行同時切削，此結(jié)構(gòu)更能凸顯本復(fù)合刀具能有效減小切削力保證加工質(zhì)量的優(yōu)點。

以上對本發(fā)明的描述僅僅是示意性的，而不是限制性的，所以，本發(fā)明的實施方式并不局限于上述的具體實施方式。如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護范圍的情況下，做出其他變化或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。